JP6137104B2 - Method of joining metal member and resin member - Google Patents
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Description
本発明は、金属部材と樹脂部材との接合方法に関する。 The present invention relates to a method for joining a metal member and a resin member.
従来より、自動車、鉄道車両、航空機等の分野では軽量化が求められている。例えば、自動車の分野では、ハイテン材の利用により薄鋼板化が進められ、またスチール材の代替材としてアルミ合金材が用いられ、さらには樹脂材の利用も進んでいる。このような分野において金属部材と樹脂部材との接合技術の開発は、単に車体の軽量化に留まらず、接合部材の高強度化や高剛性化、生産性の向上を実現させる観点からも重要である。これまで、金属部材と樹脂部材との接合方法として、いわゆる摩擦撹拌接合(FSW:friction stir welding)方法が提案されている。摩擦撹拌接合方法とは、図10に示すように、金属部材211と樹脂部材212とを重ね合わせ、回転ツール216を回転させつつ、金属部材211に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱で樹脂部材212を溶融させた後、固化させて金属部材211と樹脂部材212とを接合する方法である。
Conventionally, weight reduction has been demanded in the fields of automobiles, railway vehicles, aircraft, and the like. For example, in the field of automobiles, the use of high-tensile materials has made it possible to make steel sheets thinner, aluminum alloy materials have been used as substitutes for steel materials, and resin materials have also been increasingly used. In these fields, development of joining technology for metal members and resin members is important not only for reducing the weight of the car body, but also for increasing the strength and rigidity of the joining members and improving productivity. is there. So far, a so-called friction stir welding (FSW) method has been proposed as a method for joining a metal member and a resin member. As shown in FIG. 10, the friction stir welding method is a method in which a
このような摩擦撹拌接合方法においては、例えば、接合強度および簡易接合の観点から、回転ツールの形状や押込み量を特定範囲内に設定する技術(特許文献1)が開示されている。また従来の摩擦撹拌接合方法においては、定置式接合装置やロボット接合装置を含め、金属部材と樹脂部材の固定方法は様々であるが、接合作業の終了時に回転ツールを金属部材から離すと同時に、接合部近傍は拘束状態から解除されるのが一般的である。 In such a friction stir welding method, for example, a technique (Patent Document 1) is disclosed in which the shape and push-in amount of the rotary tool are set within a specific range from the viewpoint of joining strength and simple joining. In addition, in the conventional friction stir welding method, there are various methods for fixing the metal member and the resin member, including a stationary joining device and a robot joining device, but at the same time as the rotary tool is separated from the metal member at the end of the joining work, Generally, the vicinity of the joint is released from the restrained state.
一方、樹脂部材に強化繊維を含有させて、樹脂部材の強度を向上させる技術が知られている。例えば、圧縮成形方法の分野では、樹脂の劣化防止、生産性の向上、高強度・高弾性率化の観点から、強化繊維と熱可塑性樹脂により構成される繊維強化熱可塑性樹脂複合材料であって、特定繊維長の強化繊維が特定の体積含有率および同一の繊維軸方向で含有される圧縮成形用材料が開示されている(特許文献2)。 On the other hand, a technique for improving the strength of a resin member by adding a reinforcing fiber to the resin member is known. For example, in the field of compression molding methods, it is a fiber reinforced thermoplastic resin composite material composed of reinforced fibers and a thermoplastic resin from the viewpoint of preventing resin deterioration, improving productivity, and increasing strength and elastic modulus. A compression molding material in which reinforcing fibers having a specific fiber length are contained in a specific volume content and the same fiber axis direction is disclosed (Patent Document 2).
しかしながら、従来の摩擦撹拌接合方法において、従来の繊維強化樹脂部材を用いた場合、接合強度が低下することがあった。 However, in the conventional friction stir welding method, when a conventional fiber reinforced resin member is used, the bonding strength may be reduced.
本発明の発明者等は、このような接合強度の低下の現象を鋭意研究した結果、当該現象は、樹脂部材に含有される強化繊維のスプリングバックに起因することを見い出した。具体的には、図11(A)に示すように、押圧部材216を金属部材211に押し込んで、摩擦熱により、樹脂部材212の押圧部材直下領域221およびその外周領域を溶融させた後、固化させると、樹脂部材212の当該溶融固化領域においてスプリングバックが生じた。スプリングバックとは、湾曲した強化繊維が樹脂部材212の溶融時に拘束力から解放され、まっすぐに戻ろうと変形する現象である。このようなスプリングバックが生じると、図11(B)に示すように、樹脂部材212における溶融固化領域において、気泡が混入して、見掛け上、発泡したように見える気泡層222が形成され、強度の低い気泡層222内で層内破断が生じることで接合強度が低下するものと考えられる。
The inventors of the present invention have intensively studied the phenomenon of such a decrease in bonding strength, and as a result, have found that the phenomenon is caused by springback of reinforcing fibers contained in the resin member. Specifically, as shown in FIG. 11A, the
本発明は、樹脂部材と金属部材との接合を十分な強度で達成することができる金属部材と樹脂部材との接合方法を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the joining method of the metal member and resin member which can achieve joining with sufficient intensity | strength of a resin member and a metal member.
本発明は、
金属部材と強化繊維を含有する樹脂部材とを重ね合わせ、第1押圧部材による金属部材側からの押圧により熱および圧力を局所的に付与し、樹脂部材を軟化および溶融させた後、第1押圧部材による押圧を終了し、固化させる熱圧式接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法であって、
遅くとも第1押圧部材による押圧の終了時から、第2押圧部材により金属部材側から押圧して金属部材と樹脂部材との圧締めを行い、
該第2押圧部材による押圧を、第1押圧部材による押圧の終了後も継続して行うことを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法に関する。
The present invention
After the metal member and the resin member containing the reinforcing fiber are overlapped, heat and pressure are locally applied by pressing from the metal member side by the first pressing member, and the resin member is softened and melted, and then the first pressing is performed. It is a joining method between a metal member and a resin member by a hot-pressure joining method in which pressing by a member is terminated and solidified,
At the latest, from the end of pressing by the first pressing member, pressing from the metal member side by the second pressing member to perform the clamping of the metal member and the resin member,
The present invention relates to a method for joining a metal member and a resin member, wherein the pressing by the second pressing member is continuously performed even after the pressing by the first pressing member is finished.
本発明はまた、
金属部材と樹脂部材とを重ね合わせる第1ステップ;および
第1押圧部材としての回転ツールを回転させつつ、金属部材に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により樹脂部材を軟化および溶融させた後、回転ツールによる押圧を終了し、固化させて金属部材と樹脂部材とを接合する第2ステップを含む摩擦撹拌接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法であって、
遅くとも回転ツールによる押圧の終了時から、第2押圧部材としてのクランプ部材により金属部材側から押圧して金属部材と樹脂部材との圧締めを行い、
該クランプ部材による押圧を、回転ツールによる押圧の終了後も継続して行うことを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法に関する。
The present invention also provides
A first step of superimposing the metal member and the resin member; and while rotating the rotary tool as the first pressing member, the metal member is pressed to generate frictional heat, and the resin member is softened and melted by the frictional heat. Then, the method of joining the metal member and the resin member by the friction stir welding method including the second step of terminating the pressing by the rotating tool and solidifying and joining the metal member and the resin member,
At the latest, from the end of pressing by the rotary tool, the metal member and the resin member are pressed by pressing from the metal member side with the clamp member as the second pressing member,
The present invention relates to a method for joining a metal member and a resin member, wherein the pressing by the clamp member is continuously performed even after the pressing by the rotary tool is finished.
本発明の接合方法によれば、樹脂部材に強化繊維を含有させた場合であっても、樹脂部材と金属部材との接合を十分な強度で達成することができる。 According to the joining method of the present invention, even when the reinforcing fiber is contained in the resin member, the joining of the resin member and the metal member can be achieved with sufficient strength.
本発明の接合方法は、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせ、第1押圧部材による金属部材側または樹脂部材側からの押圧により熱および圧力を局所的に付与し、樹脂部材を軟化および溶融させた後、第1押圧部材による押圧を終了し、固化させて金属部材と樹脂部材とを接合する熱圧式接合方法である。本発明の接合方法において採用される接合方式は、第1押圧部材により熱および圧力を局所的に付与する方法であれば特に限定されるものではなく、例えば、摩擦撹拌接合方法、超音波加熱接合方法等であってもよい。好ましくは第1押圧部材により熱および圧力を金属部材側から局所的に付与する方法であり、より好ましくは摩擦撹拌接合方法が採用される。 In the joining method of the present invention, the metal member and the resin member are overlapped, and heat and pressure are locally applied by pressing from the metal member side or the resin member side by the first pressing member to soften and melt the resin member. After that, the pressing by the first pressing member is finished, and the metal member and the resin member are joined by solidifying and pressing. The joining method employed in the joining method of the present invention is not particularly limited as long as it is a method of locally applying heat and pressure by the first pressing member. For example, friction stir welding method, ultrasonic heating joining It may be a method or the like. Preferably, it is a method in which heat and pressure are locally applied from the metal member side by the first pressing member, and a friction stir welding method is more preferably employed.
摩擦撹拌接合方法とは、後で詳述するように、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせ、第1押圧部材としての回転ツールを回転させつつ、金属部材に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱で樹脂部材を軟化および溶融させた後、固化させて金属部材と樹脂部材とを接合する方法である。 With the friction stir welding method, as will be described in detail later, the metal member and the resin member are overlapped, and while rotating the rotary tool as the first pressing member, the metal member is pressed to generate frictional heat, In this method, the resin member is softened and melted by the frictional heat and then solidified to join the metal member and the resin member.
超音波加熱接合方法とは、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせ、第1押圧部材により樹脂部材を加圧しながら、第1押圧部材及び樹脂部材に超音波振動を起こさせ、該振動により生じる樹脂部材/金属部材の摩擦熱で樹脂部材を軟化および溶融させた後、固化させて金属部材と樹脂部材とを接合する方法である。 The ultrasonic heating bonding method is a resin produced by superposing a metal member and a resin member and causing ultrasonic vibrations to occur in the first pressing member and the resin member while pressing the resin member by the first pressing member. In this method, the resin member is softened and melted by the frictional heat of the member / metal member, and then solidified to join the metal member and the resin member.
以下、摩擦撹拌接合方法を採用した本発明の接合方法について、図面を用いて詳しく説明するが、当該説明により、他の方法においても、本発明の効果が得られることは明らかである。なお第1押圧部材による押圧を樹脂部材側から行う場合、第2押圧部材による押圧も通常、樹脂部材側から行う。 Hereinafter, although the joining method of the present invention employing the friction stir welding method will be described in detail with reference to the drawings, it is apparent that the effects of the present invention can be obtained by other methods as well. When the pressing by the first pressing member is performed from the resin member side, the pressing by the second pressing member is also generally performed from the resin member side.
[摩擦撹拌接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法]
本発明の接合方法(摩擦撹拌接合方法)について図1〜図8を用いて具体的に説明する。図1は本発明にかかる金属部材と樹脂部材との接合方法に好適な摩擦撹拌接合装置の一部一例を示す模式図である。図2は本発明の接合方法に使用される回転ツールの一例の先端部の拡大図である。図3は図1における回転ツールとクランプ部材の拡大見取り図である。図4は本発明の第1実施態様におけるクランプ開始工程の一例を説明するための概略断面図である。図5は本発明の第1実施態様における予熱工程の一例を説明するための概略断面図である。図6は本発明の第1実施態様および第2実施態様における押込み撹拌工程、撹拌維持工程及び保持工程の一例を説明するための概略断面図である。図7は本発明の第1実施態様および第2実施態様におけるクランプ継続工程の一例を説明するための概略断面図である。図8は本発明の第2実施態様における予熱工程の一例を説明するための概略断面図である。これらの図において、共通する符号は同じ部材を示すものとする。
[Method of joining metal member and resin member by friction stir welding method]
The joining method (friction stir welding method) of the present invention will be specifically described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic view showing an example of a part of a friction stir welding apparatus suitable for a method for joining a metal member and a resin member according to the present invention. FIG. 2 is an enlarged view of the tip of an example of a rotary tool used in the joining method of the present invention. FIG. 3 is an enlarged sketch of the rotary tool and the clamp member in FIG. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of a clamping start process in the first embodiment of the present invention. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of a preheating process in the first embodiment of the present invention. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the indentation stirring step, the stirring maintaining step, and the holding step in the first embodiment and the second embodiment of the present invention. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the clamping continuation process in the first embodiment and the second embodiment of the present invention. FIG. 8 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the preheating process in the second embodiment of the present invention. In these drawings, common reference numerals indicate the same members.
(1)接合装置
まず図1は、本発明の接合方法を実施するのに適した摩擦撹拌接合装置の一部の一例を模式的に示す図である。図1に示される摩擦撹拌接合装置1は、金属部材11と樹脂部材12とを摩擦撹拌接合する装置として構成されており、第1押圧部材としての円柱状の回転ツール16および第2押圧部材としての円筒状のクランプ部材18を具備している。
(1) Joining Device First, FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a part of a friction stir welding device suitable for carrying out the joining method of the present invention. The friction
回転ツール16は、図示したように、金属部材11が上、樹脂部材12が下になるように重ね合わされたワーク10に対し、図外の駆動源により、矢印A1のように該回転ツール16の中心軸線X(図2参照)回りに回転しつつ、矢印A2のように下方に向けて移動する。このとき、回転ツール16は金属部材11表面における押圧領域P(押圧予定領域)において圧力を付与する。この回転ツール16の押圧により摩擦熱が発生し、この摩擦熱が樹脂部材12に伝導して樹脂部材12が軟化および溶融し、その後、溶融樹脂が固化する。その結果、金属部材11と樹脂部材12とが接合される。
As shown in the figure, the
図2は、回転ツール16の先端部の拡大図である。図2において、右半分は回転ツール16の外観を示し、左半分は断面を示している。図2に示すように、円柱状の回転ツール16は、先端部(図2では下端部)にピン部16a及びショルダ部16bを有している。ショルダ部16bは、回転ツール16の円形の先端面を含む回転ツール16の先端の部分である。ピン部16aは、回転ツール16の中心軸線X上において、回転ツール16の円形の先端面から外方(図2では下方)に突設された、ショルダ部16bよりも小径の円柱状の部分である。ピン部16aは、回転している回転ツール16をワーク10に最初に接触させて押圧するときに回転ツール16を位置決めするためのものである。
FIG. 2 is an enlarged view of the distal end portion of the
回転ツール16の素材及び各部の寸法は、主として、回転ツール16が押圧する金属部材11の金属の種類に応じて設定される。例えば、金属部材11がアルミニウム合金よりなる場合、回転ツール16は工具鋼(例えばSKD61等)で作製され、ショルダ部16bの直径D1は10mm、ピン部16aの直径D2は2mm、ピン部16aの突出長さhは0.5mmに設定される。また、例えば、金属部材11がスチールよりなる場合、回転ツール16は窒化珪素やPCBN(立方晶窒化ホウ素焼結体)等で作製され、ショルダ部16bの直径D1は10mm、ピン部16aの直径D2は3mm、ピン部16aの突出長さhは0.5mmに設定される。もっとも、これらは例示に過ぎず、これらに限定されないことはいうまでもない。例えば、ショルダ部16bの直径D1は通常、5〜30mm、好ましくは5〜15mmであるがこれに限定されるものではない。
The material of the
クランプ部材18は、金属部材11表面における回転ツール16による押圧領域P以外の領域に圧力を付与して、金属部材11と樹脂部材12との圧締めを行うためのものである。圧締めとは、金属部材11側から圧力を付与することで樹脂部材12に圧縮作用を与えるもので、結果として、金属部材11と樹脂部材12とのズレを防止するだけでなく、溶融した樹脂部材12のスプリングバックも防止することができる。
The
図1に示すクランプ部材18の拡大図を、回転ツール16とともに、図3に示す。クランプ部材18は、図3において、円柱体形状に軸方向で貫通孔を有してなる円筒形状を有しており、当該貫通孔内に回転ツール16が配置されているが、クランプ部材の形状はこれに限定されるものではない。クランプ部材18は、例えば、楕円柱体形状、三角柱形状、四角柱形状等の柱体形状に軸方向で貫通孔を有してなる筒形状を有していてもよい。このとき、貫通孔の形状は、回転ツール16が収容されれば、特に制限されない。クランプ部材18は、スプリングバックをより一層、十分に防止する観点から、筒形状、特に円筒形状を有していることが好ましい。クランプ部材18は、金属部材11と樹脂部材12との圧締めを行うことができる限り、貫通孔を有さない形状を有していてもよく、例えば、楕円柱体形状、三角柱形状、四角柱形状等の単なる柱体形状を有していてもよい。
An enlarged view of the
クランプ部材18が筒形状を有する場合、その貫通孔の大きさ(内径)S1は、当該貫通孔の内部に回転ツール16を配置できる範囲であることが好ましく、後述する間隙距離S3を確保できるような範囲であることがより好ましい。貫通孔の大きさ(内径)S1は通常、回転ツール16の直径をD1(mm)としたとき、D1〜3×D1、特に1.05×D1〜3×D1であり、好ましくは1.05×D1〜2×D1である。厚みS2は通常、0.2×D1〜2×D1であり、好ましくは0.5×D1〜1×D1mmである。間隙距離S3は、スプリングバックをより一層、十分に防止する観点から、10mm以下、特に0.1〜10mmであることが好ましく、より好ましくは0.1〜0.5mmである。クランプ部材18の軸方向高さやその押圧機構は所定の押圧力が保持可能な限り特に制限されるものではない。
When the
クランプ部材18を構成する素材は、クランプ部材による金属部材表面への押圧に耐えることができれば特に制限されず、例えば、工具鋼(例えばSKD61等)、アルミニウム合金等が使用可能である。
The material constituting the
回転ツール16およびクランプ部材18の下方には、回転ツール16およびクランプ部材18による圧力を受けることができる大きさの平板状の受け具が配置される。特にクランプ部材18が円筒形状を有する場合には、回転ツール16およびクランプ部材18と同軸に配置されている受け具17は当該クランプ部材18の外径と同径又は当該外径よりも大径の円柱状であることが好ましいが、形状はこれに限定されるものではない。受け具17は、上記ワーク10に対し、図外の駆動源により、矢印A3のように上方に移動される。受け具17は、遅くとも回転ツール16またはクランプ部材18がワーク10の押圧を最初に開始するまでに、上端面がワーク10の下面(より詳しくは樹脂部材12の下面)に当接する。そして、受け具17は、回転ツール16との間にワーク10を挟んで、回転ツール16およびクランプ部材18による押圧期間中、つまり摩擦撹拌接合中、上記押圧力に抗してワーク10を下方から支持する。なお、受け具17は必ずしも矢印A3方向へ移動させる必要はなく、受け具17にワーク10を載せた後に回転ツール16またはクランプ部材18を矢印A2の方向に移動させる方法を採用することもできる。
Below the
摩擦撹拌接合装置1は、多関節ロボット等からなる図外の駆動制御装置に装着されている。そして、回転ツール16、クランプ部材18及び受け具17の座標位置、回転ツール16の回転数(rpm)、加圧力(N)および加圧時間(秒)およびクランプ部材18の加圧力(N)および加圧時間(秒)等が上記駆動制御装置により適宜制御される。
The friction
(2)接合方法
本発明に係る摩擦撹拌接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法は少なくとも以下のステップ:
金属部材11と樹脂部材12とを重ね合わせる第1ステップ;および
回転ツール16を回転させつつ、金属部材11に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により樹脂部材12を軟化および溶融させた後、回転ツール16による押圧を終了し、固化させて金属部材11と樹脂部材12とを接合する第2ステップ:
を含むものである。
(2) Joining method The joining method of the metal member and the resin member by the friction stir welding method according to the present invention is at least the following steps:
A first step of superimposing the
Is included.
本発明においては、遅くとも回転ツール16による押圧の終了時から、クランプ部材18により、金属部材側から押圧して、金属部材と樹脂部材との圧締めを行い、かつ、当該クランプ部材18による押圧を、回転ツール16による押圧の終了後も継続して行う。
In the present invention, from the end of the pressing by the
回転ツール16による押圧の終了時とは、回転ツール16が金属部材11から離れる時、という意味である。
The end of pressing by the
クランプ部材18による押圧は、回転ツール16による押圧の終了時またはそれ以前に開始すればよく、例えば、回転ツール16による押圧の開始時点またはそれ以前に開始してもよいし、回転ツール16による押圧の終了時点またはその直前に開始してもよい。
回転ツール16による押圧の開始時点とは、回転ツール16が金属部材11に初めて接触して加圧する時、という意味である。
The pressing by the
The point in time when the
具体的には、後述する予熱工程C1、押込み撹拌工程C2、撹拌維持工程C3もしくは維持工程C4を有する条件にて接合する場合、クランプ部材18による押圧の開始時期は、後述する予熱工程C1、押込み撹拌工程C2、撹拌維持工程C3もしくは維持工程C4の開始時点、終了時点または最中であってもよい。
Specifically, in the case of joining under the conditions having a preheating step C1, an indentation stirring step C2, an agitation maintaining step C3, or a maintaining step C4, which will be described later, the pressing start timing by the
クランプ部材18による押圧を、回転ツール16による押圧の終了後も継続して行うとは、回転ツール16が金属部材11から離れた後も、クランプ部材18により金属部材表面を押圧し、金属部材と樹脂部材との圧締めを行う、という意味である。
When the pressing by the
クランプ部材18による押圧を、遅くとも回転ツール16による押圧の終了時に開始し、かつ、回転ツール16による押圧の終了後も継続して行うことにより、スプリングバックを十分に防止することができ、接合強度が向上する。詳しくは、接合時において樹脂部材における樹脂成分の溶融により、湾曲した強化繊維が樹脂成分による拘束力から解放されても、クランプ部材18による押圧により、樹脂部材12に圧縮作用が働くため、強化繊維が直線状に変形しようとする挙動、すなわちスプリングバックを十分に防止することができる。クランプ部材18による押圧の開始時期が、回転ツール16による押圧の終了時点よりも遅いと、クランプ部材18による押圧の開始までに、もしくは樹脂部材12が固化するまでにスプリングバックが生じるため、これを十分に解消することは困難である。クランプ部材18による押圧の終了時期が、回転ツール16による押圧の終了時点またはそれ以前であると、スプリングバックが発生する。
By starting the pressing by the
以下、クランプ部材18による押圧の開始時期を、回転ツール16による押圧の開始前とする場合(後述する予熱工程C1の開始前とする場合)を第1実施態様として詳しく説明し、押込み撹拌工程C2の開始時点とする場合を第2実施態様として詳しく説明する。クランプ部材18による押圧の開始時期を、例えば、回転ツール16による押圧の開始時点とする場合、後述する予熱工程C1、撹拌維持工程C3もしくは維持工程C4の開始時点または最中とする場合、または後述する押込み撹拌工程C2の最中とする場合の説明は、クランプ部材18による押圧の開始のタイミングをそれぞれの場合に合わせること以外、第1実施態様においてと同様であるため、それらの説明は省略する。
Hereinafter, a case where the start time of pressing by the
<第1実施態様>
第1ステップ:
第1ステップにおいては、図1に示すように、金属部材11と樹脂部材12とを所望の接合部位で重ね合わせる。
<First Embodiment>
First step:
In the first step, as shown in FIG. 1, the
第2ステップ:
第2ステップにおいては、回転ツール16を金属部材11に押し込んで、金属部材11と樹脂部材12との接合境界面13に達しない深さまで進入させる押込み撹拌工程C2を少なくとも行う。
Second step:
In the second step, at least a push-in stirring step C2 is performed in which the
第2ステップにおいて、押込み撹拌工程の前に、回転ツール16の先端部のみを金属部材11の表面部に接触させた状態で上記回転ツール16を回転させる予熱工程C1を行うことが好ましいが、必ずしも行わなければならないというわけではない。
押込み撹拌工程の後には、回転ツール16を接合境界面に達しない深さまで進入させた位置で、回転ツール16の回転動作を継続させる撹拌維持工程C3を行うことが好ましいが、当該工程も必ずしも行わなければならないというわけではない。
本発明における各工程は回転ツールの押圧力(加圧力)及び押圧時間の制御によってなされてもいいし、また、回転ツールの押圧方向の移動量(接合部材に接触してからの接合部材への挿入量)及びその移動時間の制御によってなされても良い。
In the second step, it is preferable to perform the preheating step C1 in which the
After the indentation stirring step, it is preferable to perform the stirring maintenance step C3 in which the rotation operation of the
Each step in the present invention may be performed by controlling the pressing force (pressing force) and pressing time of the rotating tool, and the amount of movement of the rotating tool in the pressing direction (contacting the bonding member after contacting the bonding member). This may be done by controlling the amount of insertion) and the movement time.
以下、各工程について詳しく説明するが、本実施態様においては、最初の工程に先立って、クランプ部材18による押圧を開始する(クランプ開始工程)。
Hereinafter, although each process is demonstrated in detail, in this embodiment, the press by the
(クランプ開始工程)
クランプ開始工程では、図4に示すように、クランプ部材18により金属部材11表面を押圧し、金属部材11と樹脂部材12との圧締めを行う。
(Clamp start process)
In the clamp start process, as shown in FIG. 4, the surface of the
クランプ部材18による加圧力は、スプリングバックの防止および過度な加圧の回避の観点から設定され、その値は通常、5〜500Nであり、スプリングバックをより一層、十分に防止する観点から好ましくは10〜300Nである。この加圧力は一連のプロセスにより樹脂部材12が溶融する領域、つまり樹脂部材12のスプリングバックが生じうる領域に対し、そのスプリングバックを防止するために必要な総加圧力であり、クランプ部材18の形状に依らない。そのため、クランプ部材18の形状により変化する押圧領域の単位面積当たりの加圧力は規定しない。クランプ部材18による押圧は、回転ツール16による押圧を終了した後も継続して行われ、すなわち後述する押込み撹拌工程C2、撹拌維持工程C3もしくは維持工程C4のうち最後に行われる工程が終了した後も継続して行われる。クランプ部材18による押圧中の加圧力は通常、一定であるが、上記範囲内で変動してもよい。
The pressurizing force by the
図4においてクランプ部材18は円筒形状を有しているが、いかなる形状を有している場合においても、金属部材11表面において回転ツール16による押圧領域とクランプ部材18による押圧領域との距離Mは、スプリングバックをより一層、十分に防止する観点から、10mm以下、特に0.1〜10mmであることが好ましく、より好ましくは0.1〜0.5mmである。なお、当該距離Mは最短距離であって、クランプ部材18が円筒形状を有する場合において前記間隙距離S3に相当する距離である。
Although the
(予熱工程C1)
予熱工程C1は、回転ツール16と受け具17とを相互に近接させることにより、図5に示すように、回転ツール16の先端部のみを金属部材11の表面部(図例では上面部)に接触させた状態で回転ツール16を回転させる工程である。予熱工程C1では、回転ツール16を、第1の加圧力(例えば、900N)で、第1の加圧時間(例えば、1.00秒)だけ、所定回転数(例えば、3000rpm)で回転させる。
(Preheating process C1)
In the preheating step C1, by bringing the
具体的には、予熱工程C1では、回転ツール16の押圧により金属部材11の表面部(図例では上面部)で摩擦熱が発生する。摩擦熱は金属部材11の内部に伝わり、金属部材11の上記押圧領域P(回転ツール16による押圧領域)の範囲及び上記押圧領域Pの近傍の範囲が予熱される。これにより、次の押込み撹拌工程C2で、回転ツール16を金属部材11に押込み易くなる。
Specifically, in the preheating step C <b> 1, frictional heat is generated at the surface portion (upper surface portion in the illustrated example) of the
予熱工程C1の第1の加圧力及び第1の加圧時間は、上記のような回転ツール16の押込み易さの観点の他、生産性の観点から設定され、その値は、例えば回転ツール16の回転数や金属部材11の厚みおよび素材の種類等に依存して変化する。例えば、1mm以上2mm以下の厚みのアルミニウム合金製金属部材11を使用する場合、予熱工程C1における第1の加圧力は、700N以上1200N未満の値が好ましい。第1の加圧時間は、0.5秒以上2.0秒未満の値が好ましい。回転ツールの回転数は2000rpm以上4000rpm以下の値が好ましい。
The first pressurizing force and the first pressurizing time in the preheating step C1 are set from the viewpoint of productivity in addition to the ease of pushing the
(押込み撹拌工程C2)
押込み撹拌工程C2では、回転ツール16と受け具17とを相互に近接させることにより、図6に示すように、回転ツール16を金属部材11に押し込む。押込み撹拌工程C2を予熱工程C1に次いで行う場合には、回転ツール16と受け具17とをさらに相互に近接させることにより、図6に示すように、回転ツール16を金属部材11に押し込む。これにより、回転ツール16を金属部材11と樹脂部材12との接合境界面13に達しない深さまで進入させる。このとき、金属部材11の回転ツール直下部110を、図6に示すように、樹脂部材12側に突出変形させることが好ましい。これにより、回転ツールの直下領域で溶融している樹脂部材表面の溶融樹脂121について、その溶融と該直下領域から外周領域への流動(図6の矢印方向)を促進させることができる。
(Indentation stirring step C2)
In the pushing and stirring step C2, the rotating
詳しくは、押込み撹拌工程C2では、回転ツール16を、第1の加圧力より大きい第2の加圧力(例えば、1500N)で、第1の加圧時間より短い第2の加圧時間(例えば、0.25秒)だけ、所定回転数(例えば、3000rpm)で回転させる。
Specifically, in the indentation stirring step C2, the
押込み撹拌工程C2では、加圧力が予熱工程C1よりも大きくなることにより、回転ツール16が金属部材11に押し込まれる。すなわち、回転ツール16が金属部材11の内部に深く進入する。好ましくは、この回転ツール16の押込みにより、金属部材11の回転ツール直下部110において、金属部材11と樹脂部材12との接合境界面13が受け具17側(図例では下側)に移動し、当該直下部110が樹脂部材12側に突出変形する。これにより、接合境界面13において回転ツールの直下領域で溶融している樹脂部材表面の溶融樹脂121の溶融が促進されると共に、該直下領域を超えて、その外周領域まで流動する(図6の矢印方向)。溶融樹脂は回転ツール直下領域を中心とする略円形状で広がる。その結果、溶融樹脂と金属部材11との接触面積が拡大され、得られる接合体において冷却により溶融樹脂が固化してなる溶融固化域(接合領域)もまた拡大されるため、樹脂部材と金属部材との接合が十分に良好な作業効率かつ十分な強度で達成することができる。
In the indentation stirring step C2, the rotating
仮に、回転ツール16がさらに押し込まれると(つまり加圧力が高過ぎ及び/又は加圧時間が長過ぎると)、回転ツール16のショルダ部16bが上記接合境界面を超える。すなわち、回転ツール16が金属部材11を貫通し、回転ツール16の外周部が樹脂部材12に接触する。すると、金属部材11に回転ツール16が通過した孔が開いた孔開き状態となり、接合不良が起きる。
If the
そこで、この押込み撹拌工程C2において、回転ツール16のショルダ部16bが上記接合境界面に達しない深さまで進入した時点で、回転ツール16の押込みを停止する。換言すれば、回転ツール16を上記接合境界面に達しない深さまで進入させる。これにより、次の撹拌維持工程C3で、樹脂部材12に近い基準位置で摩擦熱が発生し、多量の摩擦熱が樹脂部材12に伝わり、樹脂部材12の軟化および溶融が促進される。
Therefore, in this indentation stirring step C2, the indentation of the
押込み撹拌工程C2の第2の加圧力及び第2の加圧時間は、上記のような金属部材11の孔開き回避の観点及び回転ツール16をできるだけ樹脂部材12に近接させる観点から設定され、その値は、例えば回転ツール16の回転数や金属部材11の厚みおよび素材の種類等に依存して変化する。例えば、1mm以上2mm以下の厚みのアルミニウム合金製金属部材11を使用する場合、押込み撹拌工程C2における第2の加圧力は、1200N以上1800N未満の値が好ましい。第2の加圧時間は、0.1秒以上0.5秒未満の値が好ましい。回転ツールの回転数は2000rpm以上4000rpm以下の値が好ましい。
The second pressing force and the second pressurizing time in the indentation stirring step C2 are set from the viewpoint of avoiding the opening of the
(撹拌維持工程C3)
撹拌維持工程C3は、回転ツール16と受け具17との相互近接を停止することにより、同じく図6に示すように、上記接合境界面13に達しない深さまで進入させた位置(これを「基準位置」という)で回転ツール16の回転動作を継続させる工程である。撹拌維持工程C3では、回転ツール16を、第1の加圧力より小さい第3の加圧力(例えば、500N)で、第1の加圧時間より長い第3の加圧時間(例えば、6.75秒)だけ、所定回転数(例えば、3000rpm)で回転させる。
(Stirring maintenance step C3)
In the stirring maintaining step C3, by stopping the mutual proximity of the
撹拌維持工程C3では、加圧力が予熱工程C1よりも小さくなることにより(もちろん押込み撹拌工程C2よりも小さくなることにより)、回転ツール16が上記基準位置にほぼ維持される。この樹脂部材12に近い基準位置で回転ツール16の回転動作が継続されるため、多量の摩擦熱が発生し、発生した摩擦熱の大部分が樹脂部材12に移動する。そのため、樹脂部材12は、上記押圧領域P直下の領域の範囲を超えて、広い範囲で十分に軟化および溶融する。
In the stirring maintaining step C3, the rotating
撹拌維持工程C3の第3の加圧力及び第3の加圧時間は、上記のような樹脂部材12の広い範囲での十分な軟化・溶融および生産性の観点から設定され、その値は、例えば回転ツール16の回転数や金属部材11の厚みおよび素材の種類等に依存して変化する。例えば、1mm以上2mm以下の厚みのアルミニウム合金製金属部材11を使用する場合、撹拌維持工程C3における第3の加圧力は、100N以上700N未満の値が好ましい。第3の加圧時間は、1.0秒以上20秒未満の値、特に3.0秒以上10秒以下の値が好ましい。回転ツールの回転数は2000rpm以上4000rpm以下の値が好ましい。
The third pressing force and the third pressurizing time in the stirring maintaining step C3 are set from the viewpoint of sufficient softening / melting and productivity in a wide range of the
(保持工程C4)
撹拌維持工程C3の後には、上記回転ツール16の回転を停止し、その状態で上記回転ツール16を所定の加圧力で所定の加圧時間だけ保持する保持工程C4を行ってもよいし、行わなくても良い。
保持工程C4は、同じく図6に示すように、回転ツール16の回転を停止し、その状態で回転ツール16を所定の加圧力で所定の時間だけ保持する工程である。保持工程C4では、回転ツール16を、第3の加圧力より大きいが第2の加圧力より小さい第4の加圧力(例えば、1000N)で、第3の加圧時間より短いが第2の加圧時間より長い第4の加圧時間(例えば、5.00秒)だけ保持する。
(Holding process C4)
After the agitation maintenance step C3, the rotation of the
Similarly, as shown in FIG. 6, the holding step C <b> 4 is a step in which the rotation of the
保持工程C4では、回転ツール16の回転が停止されることにより、摩擦熱の発生が終了する。すなわち、摩擦撹拌接合としての実質的な動作が終了し、ワーク10の冷却が開始する。ワーク10の冷却期間中、加圧力が押込み撹拌工程C2よりも小さいが撹拌維持工程C3よりも大きくなることにより、回転が停止された回転ツール16が金属部材11と樹脂部材12との押圧領域Pを受け具17との間に挟んでクランプする。これにより、金属部材11と樹脂部材12との間の冷却中の密着力が高められ、冷却・固化完了後の接合強度が高められる。
In the holding step C4, the rotation of the
保持工程C4の第4の加圧力及び第4の加圧時間は、上記のような冷却期間中の押圧領域Pの密着力向上の観点から設定され、その値は、例えば金属部材11の素材の種類等に依存して変化する。例えば、アルミニウム合金製金属部材11を使用する場合、保持工程C4における第4の加圧力は、例えば700N以上1200N未満の値が好ましい。第4の加圧時間は、例えば1秒以上の値が好ましい。
The fourth pressurizing force and the fourth pressurizing time in the holding step C4 are set from the viewpoint of improving the adhesion strength of the pressing region P during the cooling period as described above, and the values thereof are, for example, those of the material of the
(クランプ継続工程)
本実施態様では、少なくとも前記したクランプ開始工程および工程C2を経て、好ましくはクランプ開始工程および前記した工程C1およびC2を経て、より好ましくはクランプ開始工程および前記した工程C1〜C3を経て、その後、必要に応じてさらに工程C4を経て、最終的に、図7に示すように、回転ツール16を抜き取った後も、クランプ部材18による押圧を継続する。これにより、前記したように、スプリングバックを十分に防止することができ、接合強度が向上する。
(Clamp continuation process)
In this embodiment, at least through the clamp start step and step C2, preferably through the clamp start step and steps C1 and C2, more preferably through the clamp start step and steps C1 to C3, If necessary, after further passing through step C4 and finally extracting the
クランプ継続工程において、クランプ部材18による加圧力は、クランプ開始工程においてと同様の観点から同様の範囲内であればよい。
In the clamp continuation process, the pressure applied by the
クランプ部材18による押圧は、スプリングバックをより一層、十分に防止する観点から、樹脂部材12の融点をTm(℃)としたとき、金属部材12表面において回転ツール16により押圧されていた領域の直下における金属部材11と樹脂部材12の界面温度(≒樹脂部材12の溶融領域の温度)がTm未満、好ましくはTm−100〜Tm−10)℃、より好ましくはTm−100〜Tm−20℃になるまで行うことが好ましい。換言すると、金属部材11と樹脂部材12の界面温度が上記温度範囲まで低下したとき以降に、クランプ部材18による押圧を終了することが好ましい。クランプ部材18による押圧の終了時における金属部材11と樹脂部材12の界面温度が高すぎると、スプリングバックを十分に防止することができない。
From the viewpoint of further sufficiently preventing the spring back, the pressing by the
クランプ部材18による具体的なクランプ継続時間は、金属部材11の厚みおよび素材の種類、樹脂部材12の厚みおよび素材の種類、クランプ部材18の形状、素材の種類等に依存するため、一概に決定できるものではない。クランプ継続時間とは、回転ツール16が金属部材11から離れた時点からクランプ部材18が金属部材11から離れる時点までの時間である。
The specific clamping duration by the
本工程においてクランプ部材18による押圧を継続する間、金属部材12表面に対して冷却を強制的に行うことがより好ましい。この方法により金属部材11と樹脂部材12の界面温度の低下が促進され、クランプ部材18による押圧時間を短時間化、つまり一連の接合プロセスを短時間化することが可能になる。冷却方法としては、回転ツール16による押圧領域111近傍に空気流を吹き付ける方法が挙げられる。
More preferably, the surface of the
クランプ継続工程を行った後、すなわちクランプ部材18を金属部材11から離してクランプ部材18による押圧を終了した後は、通常は室温まで冷却を行う。冷却方法は特に限定されず、例えば、放置冷却法、エアー冷却法等が挙げられる。
After performing the clamping continuation process, that is, after the clamping
以上、回転ツールを金属部材の接触面上、面方向で連続的に移動させることなく、点状に金属部材と樹脂部材との接合を行う場合(点接合)について説明したが、上記面方向において回転ツールを連続的に移動させながら、線状に金属部材と樹脂部材との接合を行う場合(線接合)においても本発明の効果が得られることは明らかである。 As described above, the case where the metal member and the resin member are joined to each other in a dotted manner without continuously moving the rotating tool in the surface direction on the contact surface of the metal member (point joining) has been described. It is clear that the effect of the present invention can be obtained even when the metal member and the resin member are joined linearly (line joining) while continuously moving the rotary tool.
<第2実施態様>
本実施態様においては、クランプ部材18による押圧の開始時期を、押込み撹拌工程C2の開始時点とする。
<Second Embodiment>
In this embodiment, the start time of pressing by the
第1ステップは第1実施態様においてと同様である。 The first step is the same as in the first embodiment.
第2ステップは、押込み撹拌工程C2を少なくとも行う。第1実施態様においてと同様に、押込み撹拌工程の前に予熱工程C1を行うことが好ましいが、必ずしも行わなければならないというわけではない。押込み撹拌工程の後には、撹拌維持工程C3を行うことが好ましいが、当該工程も必ずしも行わなければならないというわけではない。 In the second step, at least the indentation stirring step C2 is performed. As in the first embodiment, it is preferable to perform the preheating step C1 before the indentation stirring step, but this is not always necessary. Although it is preferable to perform the stirring maintenance process C3 after the indentation stirring process, the process is not necessarily performed.
以下、各工程について詳しく説明する。 Hereinafter, each step will be described in detail.
(予熱工程C1)
予熱工程C1は、クランプ部材18による押圧を行わないこと以外、第1実施態様における予熱工程C1と同様である。具体的には、図8に示すように、クランプ部材18による押圧を開始することなく、回転ツール16の先端部のみを金属部材11の表面部(図例では上面部)に接触させた状態で回転ツール16を回転させる。
(Preheating process C1)
The preheating step C1 is the same as the preheating step C1 in the first embodiment except that the pressing by the
(押込み撹拌工程C2)
押込み撹拌工程C2では、クランプ部材18による押圧を開始するとともに、回転ツール16と受け具17とを相互に近接させることにより、図6に示すように、回転ツール16を金属部材11に押し込む。
(Indentation stirring step C2)
In the pushing agitation step C2, pressing by the
本実施態様の押込み撹拌工程C2は、当該工程の開始と同時に、クランプ部材18による押圧を開始すること以外、第1実施態様の押込み撹拌工程C2と同様である。
本工程におけるクランプ部材18による押圧は、第1実施態様のクランプ開始工程においてと同様である。
The indentation stirring process C2 of this embodiment is the same as the indentation stirring process C2 of the first embodiment, except that the pressing by the
The pressing by the
(撹拌維持工程C3、保持工程C4およびクランプ継続工程)
第2実施態様における撹拌維持工程C3、保持工程C4およびクランプ継続工程はそれぞれ、第1実施態様においてと同様である。
(Stirring maintenance step C3, holding step C4 and clamping continuation step)
The stirring maintaining process C3, the holding process C4, and the clamping continuation process in the second embodiment are the same as those in the first embodiment.
(3)樹脂部材
本発明の接合方法において使用される樹脂部材12は熱可塑性ポリマーおよび強化繊維を含むものである。
(3) Resin member The
樹脂部材12を構成する熱可塑性ポリマーとしては、熱可塑性を有するあらゆるポリマーが使用可能である。中でも、自動車の分野で使用されている熱可塑性ポリマーが好ましく使用される。そのような熱可塑性ポリマーの具体例として、例えば、以下のポリマーおよびそれらの混合物が挙げられる:
ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂およびその酸変性物;
ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリトリメチレンテレフタレート(PTT)、ポリ乳酸(PLA)などのポリエステル系樹脂;
ポリメタクリル酸メチル樹脂(PMMA)などのポリアクリレート系樹脂;
ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリフェニレンエーテル(PPE)などのポリエーテル系樹脂;
ポリアセタール(POM);
アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマー系樹脂(ABS);
ポリフェニレンサルファイド(PPS);
PA6、PA66、PA11、PA12、PA6T、PA9T、MXD6などのポリアミド系樹脂(PA);
ポリカーボネート系樹脂(PC);
ポリウレタン系樹脂;
フッ素系ポリマー樹脂;および
液晶ポリマー(LCP)。
As the thermoplastic polymer constituting the
Polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene and acid-modified products thereof;
Polyester resins such as polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate (PBT), polytrimethylene terephthalate (PTT), polylactic acid (PLA);
Polyacrylate resins such as polymethyl methacrylate resin (PMMA);
Polyether resins such as polyether ether ketone (PEEK) and polyphenylene ether (PPE);
Polyacetal (POM);
Acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer resin (ABS);
Polyphenylene sulfide (PPS);
PA6, PA66, PA11, PA12, PA6T, PA9T, MXD6 and other polyamide-based resins (PA);
Polycarbonate resin (PC);
Polyurethane resin;
A fluoropolymer resin; and a liquid crystal polymer (LCP).
樹脂部材12を構成する熱可塑性ポリマーとしては、安価で機械特性に優れるポリオレフィン系樹脂、特にポリプロピレンが好ましく使用される。
As the thermoplastic polymer constituting the
熱可塑性ポリマーの分子量は特に限定されるものではなく、例えば230℃でのMFR(メルトフローレート値)が2〜200g/10分間、特に2〜55g/10分間となるような分子量であればよい。 The molecular weight of the thermoplastic polymer is not particularly limited. For example, the molecular weight may be such that the MFR (melt flow rate value) at 230 ° C. is 2 to 200 g / 10 minutes, particularly 2 to 55 g / 10 minutes. .
本明細書中、ポリマーのMFRはJIS K 7210により測定された値を用いている。 In this specification, the value measured by JIS K 7210 is used for the MFR of the polymer.
樹脂部材12は、図1等において、全体形状として略平板形状を有しているが、これに限定されるものではなく、接合のために金属部材11と重ね合わせたときに、金属部材11直下の部分が略平板形状を有する限り、いかなる形状を有していてもよい。
The
樹脂部材12における金属部材11直下の部分の厚みt(接合処理前の厚み;図4参照)は通常、2〜10mm、特に2〜5mmであるがこれに限定されるものではない。
The thickness t (thickness before joining treatment; see FIG. 4) of the portion immediately below the
樹脂部材12に含有される強化繊維は、ポリマー含有複合材料の分野で、強度向上のために、ポリマー中に含有される繊維であり、一般に、連続繊維と不連続繊維とに大別されるが、本発明において強化繊維は、特に不連続繊維を意味するものとする。不連続繊維は、スプリングバックが起こりやすいものと考えられているところ、本発明においてはそのような不連続繊維が含有される場合であっても、スプリングバックを十分に防止できるためである。
The reinforcing fiber contained in the
強化繊維は樹脂部材中、ランダム配向形態で含有され、平均繊維長が通常、50mm以下、特に0.1〜50mm、好ましくは1〜50mmである。強化繊維の平均繊維径は特に制限されるものではなく、例えば、2〜20μmであり、好ましくは6〜15μmである。強化繊維の種類としては、特に制限されず、例えば、炭素繊維、ガラス繊維等が挙げられる。 The reinforcing fibers are contained in the resin member in a randomly oriented form, and the average fiber length is usually 50 mm or less, particularly 0.1 to 50 mm, preferably 1 to 50 mm. The average fiber diameter of the reinforcing fibers is not particularly limited, and is, for example, 2 to 20 μm, preferably 6 to 15 μm. The type of reinforcing fiber is not particularly limited, and examples thereof include carbon fiber and glass fiber.
強化繊維の含有量は通常、樹脂部材全量に対して1重量%以上、特に10〜50重量%であり、好ましくは20〜50重量%、より好ましくは30〜50重量%である。 The content of the reinforcing fiber is usually 1% by weight or more, particularly 10 to 50% by weight, preferably 20 to 50% by weight, more preferably 30 to 50% by weight, based on the total amount of the resin member.
強化繊維の含有量は、樹脂部材の製造時における各材料の使用量に基づく値を使用することができるし、以下の方法により測定される値を使用することもできる。まず、樹脂部材を、電気炉等により、熱可塑性ポリマーの分解温度以上、強化繊維の分解温度以下で加熱することによって、熱可塑性ポリマーを取り除き、強化繊維のみを取り出す。加熱前後の重量測定により、強化繊維の含有量を加熱前の重量に対する割合として算出することができる。または、比重を測定することによっても、含有量の測定ができる。 As the content of the reinforcing fiber, a value based on the amount of each material used at the time of manufacturing the resin member can be used, and a value measured by the following method can also be used. First, the resin member is heated by an electric furnace or the like above the decomposition temperature of the thermoplastic polymer and below the decomposition temperature of the reinforcing fiber, thereby removing the thermoplastic polymer and taking out only the reinforcing fiber. By measuring the weight before and after heating, the content of reinforcing fibers can be calculated as a ratio to the weight before heating. Alternatively, the content can be measured by measuring the specific gravity.
樹脂部材12には、強化繊維以外の添加剤、例えば安定剤、難燃剤、着色材、発泡剤などがさらに含有されてもよい。
The
樹脂部材12は、熱可塑性ポリマーおよび強化繊維ならびに所望の添加剤を含む混合物を、射出成形法、プレス成形法などの成形法に供することにより、製造することができる。
The
樹脂部材12の融点Tmは樹脂部材12の種類によって異なり、通常、130〜350℃である。
樹脂部材12の融点Tmは、JIS7121により測定された値を用いている。
The melting point Tm of the
As the melting point Tm of the
(4)金属部材
金属部材11は、図1等において、全体形状として略平板形状を有しているが、これに限定されるものではなく、接合のために樹脂部材12と重ね合わせる部分のみが少なくとも略平板形状を有する限り、いかなる形状を有していてもよい。
(4) Metal member Although the
金属部材11において樹脂部材12と重ね合わせる略平板形状部分の厚みT(接合処理前の厚み;図3参照)は通常、0.5〜4mmであるがこれに限定されるものではない。
The thickness T (thickness before the bonding treatment; see FIG. 3) of the substantially flat plate-shaped portion that overlaps the
金属部材11を構成する金属としては、融点が、樹脂部材12を構成する熱可塑性ポリマーよりも高いあらゆる金属が使用可能である。中でも、自動車の分野で使用されている以下の金属および合金が好ましく使用される:
アルミニウム;
5000系、6000系などのアルミニウム合金;
スチール;
マグネシウムおよびその合金;
チタンおよびその合金。
As the metal constituting the
aluminum;
Aluminum alloys such as 5000 series and 6000 series;
steel;
Magnesium and its alloys;
Titanium and its alloys.
[実施例1]
(樹脂部材)
炭素繊維を40重量%含むポリプロピレンペレット(PP−CF40−11;ダイセルポリマー社製)を用いて射出成形法により、縦100mm×横30mm×厚み3mm寸法の樹脂部材12を製造した。樹脂部材において炭素繊維の平均繊維長は3mm、平均繊維径は7μmであった。樹脂部材の融点Tmは170℃であった。
[Example 1]
(Resin member)
A
(金属部材)
金属部材としては、6000系のアルミニウム合金製の平板状部材(厚さ1.2mm)を用いた。
(回転ツール)
回転ツールとしては、図2の各部の寸法がD1=10mm、D2=2mm、h=0.5mmの工具鋼製のものを用いた。
(クランプ部材)
クランプ部材としては、図3に示すような円筒状の工具鋼製のものを用いた。内径S1=11mm、厚みS2=5mm、間隙距離S3=0.5mmであった。
(Metal member)
As the metal member, a flat plate member (thickness: 1.2 mm) made of a 6000 series aluminum alloy was used.
(Rotation tool)
As the rotating tool, a tool made of tool steel having dimensions of each part in FIG. 2 of D1 = 10 mm, D2 = 2 mm, and h = 0.5 mm was used.
(Clamp member)
As a clamp member, the thing made from cylindrical tool steel as shown in FIG. 3 was used. The inner diameter S1 was 11 mm, the thickness S2 was 5 mm, and the gap distance S3 was 0.5 mm.
(接合方法)
以下の方法により、金属部材11と樹脂部材12との接合体を製造した。
第1ステップ:
金属部材11の端部と樹脂部材12の端部とを図1に示すように重ね合わせた。
(Joining method)
The joined body of the
First step:
The end of the
第2ステップ:
まず、図4に示すように、クランプ部材18を金属部材11に接触させ、金属部材11表面に圧力を付与し、金属部材11と樹脂部材12との圧締めを行った(クランプ開始工程:加圧力200N)。なお、このようなクランプ部材18による押圧は、後述するクランプ継続工程を終了するまで継続して行った。
Second step:
First, as shown in FIG. 4, the
次いで、図5に示すように、回転ツール16の先端部のみを金属部材11の表面部に接触させた状態で回転ツール16を回転させた(予熱工程C1:加圧力900N、加圧時間1.00秒、ツール回転数3000rpm)。
Next, as shown in FIG. 5, the
その後、図6に示すように、回転ツール16を金属部材11に押し込んで金属部材11と樹脂部材12との接合境界面13に達しない深さまで進入させた(押込み撹拌工程C2:加圧力1500N、加圧時間0.25秒、ツール回転数3000rpm)。
次いで、図6に示すように、回転ツール16を接合境界面13に達しない深さまで進入させた位置で、回転ツール16の回転動作を継続させた(撹拌維持工程C3:加圧力500N、加圧時間6.75秒、ツール回転数3000rpm)。
Thereafter, as shown in FIG. 6, the
Next, as shown in FIG. 6, the rotation operation of the
次いで、図7に示すように、金属部材11から回転ツール16を抜き取り、押込面111を得た後も、クランプ部材18による金属部材11表面への押圧を継続した(クランプ継続工程:加圧力200N、クランプ継続時間5秒)。クランプ継続時間経過後、直ちに、クランプ部材18を金属部材11から離した。クランプ継続時間は、回転ツール16が金属部材11から離れた時点から、クランプ部材18が金属部材11から離れた時点までの時間である。
Next, as shown in FIG. 7, even after the
(接合強度)
図9に示すように、金属部材11と樹脂部材12との接合体を治具100内に配置した。治具100は、該治具100を下方へ引っ張ることにより樹脂部材12の上端部に下方への力が働くように構成されたものである。治具100を固定し、かつ金属部材11を上方へ引っ張ることにより、樹脂部材12の上端部に下方への力が働き、樹脂部材12の母材強度に影響を受けることなく接合部の剪断強度Sを測定した。
◎;4.00≦S;
○;3.00≦S<4.00(実用上問題なし);
×;S<3.00。
(Joint strength)
As shown in FIG. 9, the joined body of the
A: 4.00 ≦ S;
○: 3.00 ≦ S <4.00 (no problem in practical use);
X: S <3.00.
(測定)
クランプ部材18による押圧を終了した直後の金属部材11と樹脂部材12の界面温度(回転ツール16の回転軸位置)をK式熱電対にて測定した。
(Measurement)
The interface temperature (the rotational axis position of the rotary tool 16) between the
[実施例2〜5および比較例1〜2]
工程条件を表に記載のように変更したこと以外、実施例1と同様の方法により、樹脂部材と金属部材との接合およびその評価を行った。
比較例1および2においては、クランプ部材18を使用しなかった。
[Examples 2-5 and Comparative Examples 1-2]
A resin member and a metal member were joined and evaluated by the same method as in Example 1 except that the process conditions were changed as described in the table.
In Comparative Examples 1 and 2, the
[比較例3]
工程条件を表に記載のように変更したこと、およびクランプ部材18による押圧の開始時期を、回転ツール16による押圧の終了時点(撹拌維持工程C3の終了時点)よりも2秒だけ遅くしたこと以外、実施例1と同様の方法により、樹脂部材と金属部材との接合およびその評価を行った。
[Comparative Example 3]
Other than having changed the process conditions as described in the table, and that the start time of pressing by the
本発明に係る接合方法は、自動車、鉄道車両、航空機、家電製品等の分野における金属部材と樹脂部材との接合に有用である。 The joining method according to the present invention is useful for joining a metal member and a resin member in the fields of automobiles, railway vehicles, aircraft, home appliances, and the like.
1:摩擦撹拌接合装置
10:ワーク
11:金属部材
12:樹脂部材
13:金属部材と樹脂部材との接合境界面
16:回転ツール
17:受け具
18:クランプ部材
100:接合強度を測定するための治具
110:金属部材の回転ツール直下部
111:押込面
121:回転ツールの直下領域で溶融している溶融樹脂
1: Friction stir welding apparatus 10: Work 11: Metal member 12: Resin member 13: Joining interface between metal member and resin member 16: Rotating tool 17: Receiving tool 18: Clamp member 100: For measuring joint strength Jig 110: Immediately below the rotating tool of metal member 111: Pushing surface 121: Molten resin melted in the region immediately below the rotating tool
Claims (19)
回転ツールを回転させつつ、金属部材に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により樹脂部材を軟化および溶融させた後、回転ツールによる押圧を終了し、固化させて金属部材と樹脂部材とを接合する第2ステップを含む摩擦撹拌接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法であって、
遅くとも回転ツールによる押圧の終了時から、クランプ部材により金属部材側から押圧して金属部材と樹脂部材との圧締めを行い、
該クランプ部材による押圧を、回転ツールによる押圧の終了後も継続して行い、
前記第2ステップが、前記回転ツールを金属部材に押し込んで、金属部材と樹脂部材との接合境界面に達しない深さまで進入させる押込み撹拌工程を備えており、
クランプ部材による押圧の開始を、前記押込み撹拌工程の開始時点またはそれ以前に行うことを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法。 A first step of superimposing a metal member and a resin member containing reinforcing fibers; and while rotating the rotary tool, the metal member is pressed to generate frictional heat, and the resin member is softened and melted by the frictional heat. Thereafter, the method of joining the metal member and the resin member by the friction stir welding method including the second step of ending the pressing by the rotating tool and solidifying and joining the metal member and the resin member,
At the latest, from the end of pressing by the rotary tool, press from the metal member side by the clamp member to perform the clamping of the metal member and the resin member,
The pressing by the clamp member is continuously performed even after the pressing by the rotating tool is finished,
The second step includes a pushing and stirring step of pushing the rotating tool into the metal member and entering the metal tool and the resin member to a depth that does not reach the joining boundary surface;
A method of joining a metal member and a resin member, characterized in that the pressing by the clamp member is started at or before the start of the indentation stirring step.
前記第2ステップが、前記押込み撹拌工程の前に、前記回転ツールの先端部における前記ピン部および前記ショルダ部のみを金属部材の表面部に接触させた状態で回転ツールを回転させる予熱工程をさらに備えている請求項1に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 The rotary tool has a shoulder portion including a circular tip surface of the rotary tool at the tip portion, and a cylindrical pin having a smaller diameter than the shoulder portion, which protrudes outward from the circular tip surface of the rotary tool. Part
The second step further includes a preheating step of rotating the rotating tool in a state where only the pin portion and the shoulder portion at the tip portion of the rotating tool are in contact with the surface portion of the metal member before the pushing and stirring step. The joining method of the metal member and resin member of Claim 1 provided.
前記押込み撹拌工程では前記回転ツールを前記第1の加圧力より大きい第2の加圧力で押圧しつつ前記第1の加圧時間より短い第2の加圧時間だけ回転させる請求項2に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 In the preheating step, the rotary tool is rotated by a first pressurizing time while being pressed with a first pressing force,
The said agitation process WHEREIN: The said rotating tool is rotated only for 2nd pressurization time shorter than the said 1st pressurization time, pressing the rotary tool with the 2nd pressurization force larger than the said 1st pressurization force. A method of joining a metal member and a resin member.
前記撹拌維持工程では前記回転ツールを前記第1の加圧力より小さい第3の加圧力で押圧しつつ前記第1の加圧時間より長い第3の加圧時間だけ回転させる請求項3に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 The second step further comprises an agitation maintaining step of continuing the rotating operation of the rotating tool at a position where the rotating tool has entered to a depth that does not reach the joining boundary surface,
Wherein the agitation maintains process of claim 3 which rotates only between the rotating the tool first longer than between the first pressurization while pressing under a pressure less than the third pressure third pressurization A method of joining a metal member and a resin member.
回転ツールを回転させつつ、金属部材に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により樹脂部材を軟化および溶融させた後、回転ツールによる押圧を終了し、固化させて金属部材と樹脂部材とを接合する第2ステップを含む摩擦撹拌接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法であって、
遅くとも回転ツールによる押圧の終了時から、クランプ部材により金属部材側から押圧して金属部材と樹脂部材との圧締めを行い、
該クランプ部材による押圧を、回転ツールによる押圧の終了後も継続して行い、
前記第2ステップが、前記回転ツールを金属部材に押し込んで、金属部材と樹脂部材との接合境界面に達しない深さまで進入させる押込み撹拌工程を備えており、
前記回転ツールが先端部に、該回転ツールの円形の先端面を含むショルダ部、および該回転ツールの円形の先端面から外方に突設された、前記ショルダ部よりも小径の円柱状のピン部を有し、
前記第2ステップが、前記押込み撹拌工程の前に、前記回転ツールの先端部における前記ピン部および前記ショルダ部のみを金属部材の表面部に接触させた状態で回転ツールを回転させる予熱工程をさらに備えており、
クランプ部材による押圧の開始を、前記予熱工程の開始時点またはそれ以前に行うことを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法。 A first step of superimposing a metal member and a resin member containing reinforcing fibers; and while rotating the rotary tool, the metal member is pressed to generate frictional heat, and the resin member is softened and melted by the frictional heat. Thereafter, the method of joining the metal member and the resin member by the friction stir welding method including the second step of ending the pressing by the rotating tool and solidifying and joining the metal member and the resin member,
At the latest, from the end of pressing by the rotary tool, press from the metal member side by the clamp member to perform the clamping of the metal member and the resin member,
The pressing by the clamp member is continuously performed even after the pressing by the rotating tool is finished,
The second step includes a pushing and stirring step of pushing the rotating tool into the metal member and entering the metal tool and the resin member to a depth that does not reach the joining boundary surface;
The rotary tool has a shoulder portion including a circular tip surface of the rotary tool at the tip portion, and a cylindrical pin having a smaller diameter than the shoulder portion, which protrudes outward from the circular tip surface of the rotary tool. Part
The second step further includes a preheating step of rotating the rotating tool in a state where only the pin portion and the shoulder portion at the tip portion of the rotating tool are in contact with the surface portion of the metal member before the pushing and stirring step. Has
A method for joining a metal member and a resin member, characterized in that the pressing by the clamp member is started at or before the start of the preheating step.
前記押込み撹拌工程では前記回転ツールを前記第1の加圧力より大きい第2の加圧力で押圧しつつ前記第1の加圧時間より短い第2の加圧時間だけ回転させる請求項6に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 In the preheating step, the rotary tool is rotated by a first pressurizing time while being pressed with a first pressing force,
The said indentation stirring process rotates only the 2nd pressurization time shorter than the said 1st pressurization time, pressing the said rotary tool with the 2nd pressurization force larger than the said 1st pressurization force. A method of joining a metal member and a resin member.
前記撹拌維持工程では前記回転ツールを前記第1の加圧力より小さい第3の加圧力で押圧しつつ前記第1の加圧時間より長い第3の加圧時間だけ回転させる請求項7に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 The second step further comprises an agitation maintaining step of continuing the rotating operation of the rotating tool at a position where the rotating tool has entered to a depth that does not reach the joining boundary surface,
Wherein the agitation maintains process according to claim 7 is rotated only between said rotating said tool first longer than between the first pressurization while pressing under a pressure less than the third pressure third pressurization A method of joining a metal member and a resin member.
回転ツールを回転させつつ、金属部材に押圧して摩擦熱を発生させ、この摩擦熱により樹脂部材を軟化および溶融させた後、回転ツールによる押圧を終了し、固化させて金属部材と樹脂部材とを接合する第2ステップを含む摩擦撹拌接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法であって、
遅くとも回転ツールによる押圧の終了時から、クランプ部材により金属部材側から押圧して金属部材と樹脂部材との圧締めを行い、
該クランプ部材による押圧を、回転ツールによる押圧の終了後も継続して行い、
前記第2ステップが、前記回転ツールを金属部材に押し込んで、金属部材と樹脂部材との接合境界面に達しない深さまで進入させる押込み撹拌工程を備えており、
前記回転ツールが先端部に、該回転ツールの円形の先端面を含むショルダ部、および該回転ツールの円形の先端面から外方に突設された、前記ショルダ部よりも小径の円柱状のピン部を有し、
前記第2ステップが、前記押込み撹拌工程の前に、前記回転ツールの先端部における前記ピン部および前記ショルダ部のみを金属部材の表面部に接触させた状態で回転ツールを回転させる予熱工程をさらに備えており、
前記予熱工程では前記回転ツールを第1の加圧力で押圧しつつ第1の加圧時間だけ回転させ、
前記押込み撹拌工程では前記回転ツールを前記第1の加圧力より大きい第2の加圧力で押圧しつつ前記第1の加圧時間より短い第2の加圧時間だけ回転させることを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法。 A first step of superimposing a metal member and a resin member containing reinforcing fibers; and while rotating the rotary tool, the metal member is pressed to generate frictional heat, and the resin member is softened and melted by the frictional heat. Thereafter, the method of joining the metal member and the resin member by the friction stir welding method including the second step of ending the pressing by the rotating tool and solidifying and joining the metal member and the resin member,
At the latest, from the end of pressing by the rotary tool, press from the metal member side by the clamp member to perform the clamping of the metal member and the resin member,
The pressing by the clamp member is continuously performed even after the pressing by the rotating tool is finished,
The second step includes a pushing and stirring step of pushing the rotating tool into the metal member and entering the metal tool and the resin member to a depth that does not reach the joining boundary surface;
The rotary tool has a shoulder portion including a circular tip surface of the rotary tool at the tip portion, and a cylindrical pin having a smaller diameter than the shoulder portion, which protrudes outward from the circular tip surface of the rotary tool. Part
The second step further includes a preheating step of rotating the rotating tool in a state where only the pin portion and the shoulder portion at the tip portion of the rotating tool are in contact with the surface portion of the metal member before the pushing and stirring step. Has
In the preheating step, the rotary tool is rotated by a first pressurizing time while being pressed with a first pressing force,
In the indentation stirring step, the rotating tool is rotated by a second pressurization time shorter than the first pressurization time while pressing the rotary tool with a second pressurization force larger than the first pressurization force. A method of joining a member and a resin member.
前記撹拌維持工程では前記回転ツールを前記第1の加圧力より小さい第3の加圧力で押圧しつつ前記第1の加圧時間より長い第3の加圧時間だけ回転させる請求項10に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法。 The second step further comprises an agitation maintaining step of continuing the rotating operation of the rotating tool at a position where the rotating tool has entered to a depth that does not reach the joining boundary surface,
The said stirring maintenance process WHEREIN: The said rotating tool is rotated only for 3rd pressurization time longer than the said 1st pressurization time, pressing with the 3rd pressurization force smaller than the said 1st pressurization force. A method of joining a metal member and a resin member.
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